COSMOS-z3.1-A zeigt, wie die größten Strukturen des Universums entstanden

COSMOS-z3.1-A ist ein außergewöhnlich früher Blick auf einen Proto-Superhaufen: den Vorläufer eines späteren „Haufens von Galaxienhaufen“. Das System existierte bereits, als das Universum nur rund 2,1 Milliarden Jahre alt war. Seine Masse wird auf etwa das 5.000-Fache der Milchstraße geschätzt. Modelle zur Entwicklung solcher Überdichten legen nahe, dass daraus bis heute ein System entstehen könnte, das massereicher als der nahe Coma-Galaxienhaufen ist. Diese spätere Masse ist allerdings eine modellgestützte Prognose, keine direkte Messung der Zukunft. 15

Mehr als ein einzelner junger Galaxienhaufen

Das internationale Forschungsteam stuft COSMOS-z3.1-A als fernsten bekannten Vorläufer eines Galaxien-Superhaufens ein. Ein Proto-Superhaufen ist noch seltener als ein Protocluster, also ein junger Galaxienhaufen: Er ist die Keimform einer großräumigen Ansammlung mehrerer massereicher Haufen. 7

Die Struktur ist nicht rund und bereits stabilisiert, sondern klumpig und unregelmäßig. Ihre dichten Komponenten liegen in einer extrem überdichten Region an Kreuzungspunkten des kosmischen Netzes. Filamentartige Ausläufer scheinen die Kerne zu verbinden und ihnen Materie zuzuführen. 14

Für COSMOS-z3.1-A und das verwandte System COSMOS-z3.1-C ergeben die Berechnungen einer Nachfahrenmasse von mindestens (10^{15{,}3}) Sonnenmassen bis zur Gegenwart, also bei Rotverschiebung null. Damit lägen sie über der Masse des Coma-Haufens, eines der massereichsten Galaxienhaufensysteme im nahen Universum. 1

Wie ODIN aus einer Häufung am Himmel eine 3D-Karte machte

Den Ausgangspunkt lieferte die ODIN-Durchmusterung. Sie sucht weit entfernte Protocluster mithilfe von Galaxien, die Lyman-Alpha-Strahlung aussenden. In dem gut untersuchten COSMOS-Feld nutzte ODIN Schmalbandaufnahmen mit der Dark Energy Camera (DECam), um bei einer Rotverschiebung von 3,1 auffällige Galaxienkonzentrationen zu finden. 335

Eine Häufung in einer zweidimensionalen Himmelsaufnahme beweist jedoch noch nicht, dass die Galaxien auch räumlich nahe beieinanderliegen. Deshalb ergänzte das Team Spektren des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), des GMOS-Instruments am Gemini South Telescope und des DEIMOS-Instruments am Keck-II-Teleskop. Die präzisen Rotverschiebungen ermöglichten eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Verteilung – einschließlich dichter Kerne und ihrer großräumigen Umgebung. 135

So wurden auch die Filamente über die Verteilung der als Spurensucher dienenden Galaxien sichtbar. Das Ergebnis ist also nicht nur ein Katalog ferner Galaxien, sondern eine Karte einer gerade entstehenden Großstruktur. 1

Ein Beispiel für hierarchisches Wachstum

Nach dem heutigen Standardbild der Kosmologie entstehen große Strukturen schrittweise: Zunächst bilden sich kleinere Materiekonzentrationen, die verschmelzen und entlang von Filamenten weiteres Material anziehen. Dieses hierarchische oder „Bottom-up“-Wachstum führt langfristig zu Galaxienhaufen und Superhaufensystemen.

COSMOS-z3.1-A passt zu diesem Bild. Statt eines fertigen, einheitlichen Haufens zeigt das Objekt mehrere wachsende Komponenten in einem Netz aus Filamenten. An deren Knotenpunkten kann Materie in besonders dichte Regionen strömen und den Aufbau immer massereicherer Systeme fördern. 147

Was der Fund mit den „versteckten Sternen“ von JWST zu tun hat – und was nicht

COSMOS-z3.1-A betrifft vor allem die großräumige Umgebung: dunkle-Materie-reiche Überdichten, Galaxiengruppen, Filamente und junge Haufen. Ein separates Ergebnis des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) befasst sich dagegen mit den Sternpopulationen in einzelnen frühen Galaxien.

In einer JWST-Studie zu neun massereichen frühen Galaxien fanden Forschende Hinweise auf deutlich mehr lichtschwache, massearme Sterne als bislang angenommen. Weil solche Sterne viel Masse beitragen, aber wenig Licht aussenden, könnten die geschätzten Sternmassen mancher Galaxien drei- bis viermal höher liegen als frühere Werte; im extremsten gemeldeten Fall fast um den Faktor vier. 192027

Beide Befunde ergänzen einander, erklären sich aber nicht automatisch gegenseitig. Ein von Filamenten gespeister Proto-Superhaufen bietet ein plausibles Umfeld für einen schnellen Galaxienaufbau. Eine ungewöhnlich hohe Zahl kleiner Sterne verändert hingegen die Abschätzung der Sternmasse innerhalb einzelner Galaxien. Wie sich dichte Umgebungen und Galaxien so früh so schnell entwickeln konnten, bleibt damit eine zentrale Herausforderung für Modelle des jungen Universums. 11722

Nächste Karten des jungen Kosmos

Das Vera C. Rubin Observatory hat die Legacy Survey of Space and Time (LSST) begonnen. Eine erste wissenschaftlich ausgerichtete Datenveröffentlichung der LSST-Kamera enthielt bereits tiefe Beobachtungen des COSMOS-Feldes. 3336

Die weiträumigen und tiefen Aufnahmen von Rubin können künftig viele weitere Kandidaten für ferne Überdichten aufspüren. Für den entscheidenden Nachweis dreidimensionaler Strukturen bleibt Spektroskopie jedoch unverzichtbar: Erst präzise Rotverschiebungen zeigen, ob Galaxien tatsächlich zusammengehören – oder nur in einer zweidimensionalen Aufnahme zufällig dicht nebeneinander erscheinen. COSMOS-z3.1-A zeigt, wie wirkungsvoll die Kombination aus großer Himmelsdurchmusterung und gezielter Spektroskopie ist. 13